趙曉明，華 文

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

換流器閥側(cè)零序電壓保護(hù)異常原因分析及對策

趙曉明，華 文

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

通過對一起舟山±200 kV多端柔性直流輸電工程換流站啟動(dòng)試驗(yàn)中換流器閥側(cè)零序電壓保護(hù)的異常動(dòng)作波形分析，找到保護(hù)動(dòng)作異常的原因是：在有源HVDC（高壓直流輸電）運(yùn)行模式下，換流閥不控充電完成后，充電電阻旁路閘刀三相不同步合閘產(chǎn)生的零序基波電壓將大于保護(hù)定值。分析表明，抬高零序電壓保護(hù)動(dòng)作定值，同時(shí)加入三次諧波制動(dòng)判據(jù)，可以有效防止換流器閥側(cè)零序電壓保護(hù)誤動(dòng)。

多端柔性直流輸電；高壓直流輸電；零序電壓保護(hù)；三次諧波制動(dòng)

1 保護(hù)系統(tǒng)概要

舟山±200 kV多端柔性直流輸電示范工程是我國也是全世界首個(gè)五端柔性直流輸電工程，分別于舟山本島、岱山島、衢山島、泗礁島及洋山島設(shè)置換流站，換流站的直流電壓等級為±200 kV，容量分別為：舟定換流站400 MW、舟岱換流站300 MW、舟衢換流站100 MW、舟洋換流站100 MW、舟泗換流站100 MW。換流站采用基于模塊化多電平技術(shù)的電壓源換流器，各換流站間采用海纜連接。柔性直流輸電工程的保護(hù)系統(tǒng)采用雙重化保護(hù)配置，即PCPA和PCPB 2套保護(hù)控制系統(tǒng)，每套保護(hù)均采用“啟動(dòng)+保護(hù)”的出口邏輯，啟動(dòng)和保護(hù)裝置從采樣、保護(hù)邏輯到出口的硬件設(shè)備完全獨(dú)立，只有起動(dòng)通道開放，同時(shí)保護(hù)通道達(dá)到動(dòng)作定值才會(huì)出口，每套保護(hù)系統(tǒng)均能確保單一元件損壞時(shí)本套保護(hù)不誤動(dòng)。保護(hù)系統(tǒng)共有3個(gè)層次，即系統(tǒng)級、換流站級和換流器級。由于每個(gè)保護(hù)對象故障導(dǎo)致的后果均會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，不存在單獨(dú)切除交流保護(hù)對象的可能性，因此將系統(tǒng)級、換流站級和換流器級的保護(hù)系統(tǒng)配置在同一主機(jī)內(nèi)，以方便各層保護(hù)之間的數(shù)據(jù)交互，提高保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也有利于保護(hù)控制系統(tǒng)與VBC（閥控系統(tǒng)）的接口界定。保護(hù)系統(tǒng)按被保護(hù)的一次設(shè)備分為數(shù)個(gè)保護(hù)區(qū)：站內(nèi)交流連接母線區(qū)主要對聯(lián)接變壓器與換流器之間的交流母線進(jìn)行保護(hù)；換流器區(qū)主要對換流器、換流器與交流母線的部分連接線路以及橋臂電抗器進(jìn)行保護(hù)；直流場保護(hù)區(qū)主要對直流輸電線路以及直流線路上串聯(lián)的直流電抗器和共模抑制電抗器等設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。以換流器保護(hù)為例，換流器區(qū)主要配置了交流過流保護(hù)、橋臂過流保護(hù)、橋臂電抗器差動(dòng)保護(hù)、閥側(cè)零序分量保護(hù)、閥差動(dòng)保護(hù)和橋臂環(huán)流保護(hù)等。

2 閥側(cè)零序電壓保護(hù)誤動(dòng)實(shí)例

在舟泗換流站有源HVDC方式下對換流器進(jìn)行不控充電試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)PCPB報(bào)“交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)動(dòng)作”，而PCPA則未有任何故障信息報(bào)出。

雖然PCPB報(bào)“交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)動(dòng)作”，但是保護(hù)并未出口，換流閥未閉鎖，聯(lián)接變壓器交流斷路器也未跳閘。調(diào)取錄波圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PCPB的保護(hù)元件動(dòng)作，但啟動(dòng)元件未動(dòng)作；而PCPA的保護(hù)元件未動(dòng)作，啟動(dòng)元件也未動(dòng)作。當(dāng)時(shí)控制系統(tǒng)運(yùn)行模式為A系統(tǒng)運(yùn)行、B系統(tǒng)備用。因?yàn)榭刂票Ｗo(hù)完全采用雙重化的保護(hù)配置，即每套保護(hù)都采用“啟動(dòng)+保護(hù)”的出口邏輯，所以當(dāng)僅有“保護(hù)”動(dòng)作而“啟動(dòng)”未動(dòng)作時(shí)，保護(hù)不出口是正確的。查勘一次設(shè)備，并未發(fā)現(xiàn)任何異常，表明“交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)動(dòng)作”很可能是保護(hù)動(dòng)作異常。

交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)動(dòng)作波形如圖1所示。圖中UA，UB，UC為閥側(cè)C相電壓，iA，iB，iC為聯(lián)接變壓器的閥側(cè)三相電流，3U0為閥側(cè)零序電壓，3U0-RMS為閥側(cè)零序電壓基波有效值，TR1為交流閥側(cè)零序電壓啟動(dòng)元件，TR2為交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)元件。iA，iB，iC是在聯(lián)接變壓器閥側(cè)充電電阻旁路閘刀合閘時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)充電電流，從圖1可以看出三相電流并非同時(shí)出現(xiàn)，而是C相電流先出現(xiàn)，200 ms后A相電流出現(xiàn)，500 ms后B相電流出現(xiàn)。從三相電流出現(xiàn)時(shí)刻不一致，可以推斷出旁路閘刀合閘不同步，C相先合閘，隨后A相合閘，最后B相合閘。伴隨著旁路閘刀的先后合閘，閥的充電回路出現(xiàn)了三相不對稱，導(dǎo)致閥側(cè)C相電壓UC降低，UA和UB抬高，出現(xiàn)了明顯的不平衡電壓3U0。圖1顯示3U0-RMS在C相合閘后迅速抬升至0.44 p.u.，150 ms后仍有0.39 p.u.。根據(jù)PCP保護(hù)整定定值，當(dāng)不平衡電壓3U0基波電壓大于0.4 p.u.，且持續(xù)150 ms不小于0.38 p.u.后，保護(hù)動(dòng)作。顯然此時(shí)已經(jīng)達(dá)到保護(hù)動(dòng)作定值，PCPB保護(hù)動(dòng)作元件TR2在不平衡電壓產(chǎn)生150 ms后觸發(fā)并展寬了100 ms返回，TR1沒有觸發(fā)是因?yàn)閱?dòng)元件與保護(hù)元件的采樣模塊是完全獨(dú)立的，啟動(dòng)元件在150 ms后剛好小于0.38 p.u.，所以啟動(dòng)元件未動(dòng)作。

圖1 交流閥側(cè)零序分量保護(hù)動(dòng)作波形

3 交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)的改進(jìn)

由上述分析可知，在有源HVDC不控充電運(yùn)行方式下，充電電阻旁路閘刀合閘時(shí)極易發(fā)生交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)誤動(dòng)。必須完善和改進(jìn)交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)和邏輯，優(yōu)化整定定值。

分析圖1可以看出：3U0在旁路閘刀合閘過程以及合閘完成的前后均含有豐富的三次諧波成分，保護(hù)動(dòng)作時(shí)的閥側(cè)零序電壓諧波含量如圖2所示。

對3U0電壓進(jìn)行頻譜分析可知，在充電電阻旁路閘刀C相已合閘而另外2相還未合閘的t1時(shí)刻，三次諧波達(dá)到了基波的86%；在A相合閘后的t2時(shí)刻，三次諧波達(dá)到了基波的175%；在3相都已經(jīng)合閘的t3時(shí)刻，基波含量接近于零，波形幾乎全部是三次諧波分量。由此可以得出如下結(jié)論：在旁路閘刀合閘過程中，三相閘刀合閘時(shí)間不一致，將導(dǎo)致聯(lián)接變壓器閥側(cè)產(chǎn)生零序電壓，且零序電壓含有大量的三次諧波分量。

為驗(yàn)證閥側(cè)區(qū)內(nèi)區(qū)外接地故障時(shí)的諧波分量特征，利用PSCAD進(jìn)行了仿真。圖3為區(qū)內(nèi)單相接地故障的零序電壓仿真波形，圖4為區(qū)外單相接地故障的零序電壓仿真波形。分析得知，在聯(lián)接變壓器閥側(cè)區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)，基波電壓含量接近于1.0 p.u.，而三次諧波含量極低；在聯(lián)接變壓器閥側(cè)區(qū)外單相接地故障時(shí)，基波電壓含量約0.34 p.u.，三次諧波含量也非常低。因此，可以利用三次諧波作為制動(dòng)判據(jù)來完善保護(hù)邏輯，即當(dāng)三次諧波含量大于給定的定值后，閉鎖交流閥側(cè)零序電壓保護(hù)，只有當(dāng)基波電壓大于定值且三次諧波含量低于定值時(shí)保護(hù)才動(dòng)作。分析圖3、圖4可以得知，區(qū)內(nèi)故障時(shí)零序電壓基波分量要遠(yuǎn)大于區(qū)外故障，因此可以抬高基波電壓定值來躲開區(qū)外故障。

圖2 閥側(cè)零序電壓諧波含量

圖3 區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)零序電壓仿真波形

圖4 區(qū)外單相接地故障時(shí)零序電壓仿真波形

4 結(jié)語

通過對交流閥側(cè)零序分量保護(hù)動(dòng)作波形圖和區(qū)內(nèi)區(qū)外單相接地故障時(shí)零序電壓仿真波形圖的分析，可以得知：聯(lián)接變壓器閥側(cè)接地故障時(shí)，無論區(qū)內(nèi)區(qū)外，其基波零序電壓都將顯著上升，而三次諧波零序電壓分量幾乎為零；HVDC不控充電時(shí)，在合旁路閘刀的過程中會(huì)產(chǎn)生基波零序電壓，也會(huì)有大量的三次諧波分量，因此在保護(hù)判據(jù)中增加三次諧波制動(dòng)判據(jù)，同時(shí)抬高基波零序電壓保護(hù)的動(dòng)作門檻，就可以有效防止交流閥側(cè)零序分量保護(hù)誤動(dòng)。

[1]范心明，管霖，何建明，等．風(fēng)電接入下柔性直流輸電的無源解耦控制[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（10）∶311-319．

[2]李爽，王志新，王國強(qiáng)，等．海上風(fēng)電柔性直流輸電變流器P-DPC控制研究[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（2）∶264-270．

[3]鄧旭，王東舉，沈揚(yáng)，等．舟山多端柔性直流輸電工程換流站內(nèi)部暫態(tài)過電壓[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（18）∶111-119．

[4]胡鵬飛，江道灼，郭捷，等．基于混合型多電平換流器的柔性直流輸電系統(tǒng)[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（10）∶33-38．

[5]馮明，李興源，李寬，等．多端柔性直流輸電系統(tǒng)啟動(dòng)控制及其仿真[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41（14）∶60-65．

[6]張桂斌，徐政，王廣柱．基于VSC的直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)建模及其非線性控制[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（1）∶17-22．

[7]徐政，陳海榮．電壓源換流器型直流輸電技術(shù)綜述[J]．高電壓技術(shù)，2007，33（1）∶1-10．

[8]李庚銀，呂鵬飛，李廣凱，等．輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展和展望[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003，27（4）∶1-5．

（本文編輯：龔 皓）

Cause Analysis and Countermeasures on Maloperation of Zero-sequence Voltage Protection at Converter Valve Side

ZHAO Xiaoming，HUA Wen
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The paper introduces maloperation of zero-sequence voltage protection at converter valve side during startup test in converter station of Zhoushan±200 kV multi-terminal VSC-HVDC project.By waveform analysis，it is found that in the operation mode of active HVDC when uncontrolled charging of converter valve is finished，zerosequence voltage of fundamental wave caused by three phase asynchronous closing of charging resistor bypass switch is larger than the protection setting.The analysis shows that protection maloperation of zero-sequence voltage at converter valve side can be effectively prevented by means of rising the protection setting of zero-sequence voltage and adding criterion of third harmonic restraint.

multi-terminal VSC-HVDC；HVDC；zero-sequence voltage protection；third harmonic restraining

TM862+.3

B

1007-1881（2015）08-0001-04

2015-04-12

趙曉明（1976），男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及控制相關(guān)工作。